一種快速擴展HLA/RTI Web服務的方法

張 濤,史璐莎,張 斌,贠 遠,田 耀

(1.北京工業大學 電子信息與控制工程學院，北京 100022;2.中國科學院 空間應用工程與技術中心，北京 100094)

一種快速擴展HLA/RTI Web服務的方法

張 濤1,史璐莎2,張 斌2,贠 遠2,田 耀2

(1.北京工業大學 電子信息與控制工程學院，北京 100022;2.中國科學院 空間應用工程與技術中心，北京 100094)

針對過去研究中高層體系結構(HLA)分布式仿真框架無法很好地在廣域網上運行，與其他系統接口復雜，聯邦成員開發語言單一，系統開發和維護成本高等特點，提出一種快速擴展HLA/RTI仿真Web服務的框架。該框架將HLA/RTI接口基于面向服務體系結構(SOA)進行封裝，并在HLA/RTI中心節點部署聯邦大使管理代理，通過使用HTTP協議和將代理的聯邦大使和用戶進行映射，實現HLA仿真系統與編程語言和平臺的解耦，具有快速開發、部署、高度可定制化等特點，為中小企業和機構實現HLA仿真擴展提供了一種新思路。實驗結果表明，該框架對HLA高層體系結構的擴展是可行的，不僅極大提高了HLA擴展效率，而且滿足了平臺多樣性、聯邦成員開發語言解耦、效率高等需求，還有效降低了開發和維護成本。

中高層體系結構；運行支撐環境；Web服務；分布式仿真；跨平臺

0 引 言

高層體系結構(High Level Architecture，HLA)是一種分布式仿真架構，旨在解決大規模復雜系統仿真和降低仿真成本等問題[1]。HLA的運行支撐環境(Run Time Infrastructure，RTI)將底層支撐環境與仿真應用分離，各仿真應用在符合HLA規范的條件下獨立開發，從而涵蓋各領域先進技術，降低開發難度和時間成本。運用HLA模擬軍事實戰演習已廣泛應用于各國的現代軍事領域。隨著全球一體化的進展，越來越多的企業表現出對分布式仿真的需求，使得不同地理位置的員工可以參與到產品原型設計和開發的過程中去，HLA在民用仿真領域也逐漸發揮著巨大的作用[2]。

隨著技術的發展，HLA許多特征逐漸與其設計初衷背離，進而阻礙了該技術的發展[2]。一般HLA軟件公司只提供RTI和配套的聯邦成員軟件開發包(Softeware Development Kit，SDK)。大部分SDK只支持C++和Java編程語言。這使得HLA對聯邦成員開發編程語言有著十分嚴重的依賴性，開發維護成本較高，不利于HLA系統的移植和跨平臺使用。在系統內部SDK通過TCP/IP協議與RTI進行通訊交換數據，各用戶對數據傳輸都有自己的標準，由于網絡環境的差異和各網絡防火墻采用的安全策略的不同，經常導致HLA通信發生故障，不利于廣域網使用[3-4]。

Web服務基于可擴展標識語言(eXtensive Markup Language，XML)、簡單對象訪問協議(Simple Object Access Protocol，SOAP)和超文本傳輸協議(Hyper Text Transfer Protocol，HTTP)。這些技術和協議具有跨平臺、編程語言等優勢。將Web服務應用于HLA框架，不僅能夠發揮HLA分布式仿真框架的優勢，還能利用Web服務的開放透明等特性彌補上述的不足[5-6]。

Katherine[7]通過使用BEEP協議替換HTTP協議實現HLA Web服務，缺點是BEEP協議應用范圍較小，通用性不強。Bj?rn M?ller提出由聯邦成員請求RTI獲取所需回調函數[3]，但需要Cookie維持聯邦成員與RTI的會話，與HTTP無狀態協議的設計初衷不符，且增加了客戶端開發難度。Xie等[8]通過客戶端服務端雙向Web服務完成回調，缺點是客戶端也需要實現Web服務，對實現解耦復用等特性意義不大。文中通過將聯邦大使進行基于SOA的封裝和將Web服務分為功能支持服務和標準HLA Web服務，實現HLA與Web服務的結合。

1 Web服務

Web服務是一個通過互聯網提供計算機到計算機交互的軟件系統。Web服務利用格式化自解釋的XML語言描述數據，完成軟件系統間的通信。現代軟件開發過程中，越來越多的將耗時長、復雜的運算放到高性能的服務器上執行，客戶端只需遠程調用所需的服務，待返回運算結果后完成其業務層邏輯即可。這正是現代軟件開發中面向服務架構(Service Oriented Architecture，SOA)的核心思想[9]。

Web服務主要由三種技術組成，分別是服務描述語言(Web Services Description Language，WSDL)、SOAP和統一描述發現和集成中心(Universal Description,Discovery and Integration，UDDI)。不同系統可能使用不同的編程語言，因此需要一種不依賴于編程語言的數據交換方法，WSDL是一種特殊格式的文件，它定義了系統間數據通信并描述了Web服務所提供服務的具體信息。其他系統通過SOAP協議，將遠程調用對象序列化為XML格式文件，其中包括調用對象名、輸入參數等信息，然后將SOAP數據當作HTTP的body發送給Web服務完成系統間交互。

上述通訊過程的實現是通訊雙方默認對方存在的基礎上建立的，當所處網絡中包含大量未知Web服務時，可通過UDDI發布和查詢所需服務，具體流程如圖1所示。

圖1 Web服務流程

2 服務架構

傳統的HLA仿真系統開發流程為:

(1)根據仿真系統的需要編寫相關的HLA對象模型模板(Object Model Template，OMT)。

(2)參與仿真的各分系統根據HLA提供商提供的SDK(一般只提供C++和Java)和OMT編寫自己的聯邦成員軟件。

(3)各分系統使用聯邦大使接口通過TCP/IP連接到RTI與其他聯邦成員進行交互。

由圖2可以看到，傳統RTI運行在中央服務器上，而各聯邦成員運行在各客戶主機上，以此實現分布式仿真。

圖2 傳統RTI架構

為了實現RTI的Web服務擴展，可在通信層面實現，最簡單的想法是用HTTP協議更換TCP/IP協議，但這通常需要修改RTI的通信接口，一般HLA供應商不會提供源代碼供用戶修改其核心代碼。因此要想不修改RTI源碼的前提下實現擴展是比較困難的。

文中提出一種替換方案，其核心思想是對RTI提供的API進行Web封裝，作為服務器。稱這個軟件系統為聯邦大使管理代理(Ambassador Management Proxy，AMP)。AMP作為代理，接收聯邦成員的數據并傳遞給RTI；同時接收RTI回調數據并傳遞給聯邦成員。AMP與聯邦成員之間通過HTTP協議進行通信，AMP與RTI之間通過TCP/IP進行通信。其框架結構如圖3所示。

圖3 擴展后HLA架構

AMP主要功能：

(1)用戶認證，確認其相應的操作權限。

(2)完成聯邦成員到聯邦大使的映射，可以是一對一或多對一的形式。

(3)管理聯邦大使，尤其是仿真任務中數據對象的維護。

(4)將聯邦大使的接口通過Web服務的形式提供給用戶。

(5)完成RTI系統回調。

AMP實質上提供的是遠程功能調用(Remote Function Call，RFC)，將聯邦成員對Web服務的調用轉換為聯邦大使對RTI API的調用，聯邦大使和RTI的交互在中央服務器內部完成，實現與用戶的隔離。

3 技術實現

針對前文聯邦大使管理代理模塊功能的特點，簡要描述其功能具體實現。

為了支持Web服務，HLA Evolved標準新增了WSDL API(hla1516e.wsdl)[10-13]。AMP基于WSDL API。AMP對于提供給用戶的Web服務可以劃分為兩類，一類是管理功能支持服務，另一類是標準HLA WSDL服務。用戶認證可歸為管理功能，對用戶提供注冊、登陸等服務。AMP將用戶信息持久化到數據庫中便于后續管理和維護。

為用戶提供創建、刪除聯邦大使等功能服務。用戶登陸后，每一位用戶維護一張聯邦大使表(Ambassador Table)，在表中完成相應的創建、刪除操作，并完成用戶到聯邦大使的映射。

HLA對象模型模板(OMT)描述參與仿真的各聯邦成員需要交互的數據類型及信息。OMT通常為XML格式，解析XML可獲得仿真系統中交互數據內容。AMP系統為每一個聯邦大使維護一個變量引用表(Variable Reference Table)，聯邦成員通過變量引用表發送及獲取數據。聯邦成員調用數據時，才對相應的變量進行實例化，從而降低系統內存消耗。

由于HTTP協議的局限性，只能由用戶主動向服務器發起會話，因此回調函數的實現是HLA Web服務化必須解決的問題。通常采用的方法：

(1)使用BEEP協議替換HTTP協議，但BEEP協議的通用性十分有限，不如HTTP協議應用廣泛。

(2)在服務器和客戶端雙向都提供Web服務，使服務器也可以主動向客戶端發起會話，但這種做法仍然十分依賴于客戶端軟件的實現，增加了客戶端復雜程度，不利于后期維護。

文中的解決方案是為用戶提供回調函數注冊服務，用戶可以對自身聯邦成員定義多張回調函數表，根據用戶對回調函數時效性需求的不同，將速度要求高的回調函數和速度要求低的回調函數分別注冊在不同的回調表中，然后客戶端程序對不同的回調表設定不同的輪詢頻率完成回調。

4 實 驗

對HLA Web服務化的原型系統進行了測試，參考文獻[14]中內容，軟件系統的功能性和并發處理能力是主要考察的方面，系統配置如表1所示。

表1 實驗環境配置

實驗中AMP使用gSOAP開源C++庫和pRti提供的C++ SDK編寫。gSOAP是一個快速開發Web服務的第三方開源庫，可提供HTTP和SOAP協議的解析，使用戶不用關心協議細節而專注于功能層面的實現。

pRti和AMP運行于中央服務器上，用戶分別在其他主機上訪問AMP的Web服務，實驗用例Chat是pRti的教學用例，模擬一個聊天室，各用戶交換數據。文中使用MFC編寫聯邦成員界面，實現加入聯邦和發送接收數據功能。聯邦成員交互如圖4所示。

圖4 聯邦成員交互

每一次聯邦成員發送或者接收數據，都是在調用AMP提供的Web服務，使AMP進行一次HTTP處理，實驗中可模擬多用戶同時向服務器發送HTTP請求，在服務器端記錄每秒訪問數，查看其并發處理能力，服務器訪問處理曲線圖如圖5所示。

圖5 服務器訪問處理曲線

通過上述實驗，證明文中設計的HLA Web服務框架是可行的，并且具有解耦、高并發、可定制化等優點。

5 結束語

HLA Web服務化是HLA分布式仿真發展的重要方向，HLA Web服務不僅可以擴展其適用范圍，還增強了其對復雜系統仿真的能力，降低了開發難度和成本，這正是HLA設計的初衷。建模和仿真一直是仿真系統著力解決的兩個核心問題，HLA Web服務不僅降低了仿真軟件開發的門檻，并且使得不同編程語言背景的人都參與到開發中去，為系統的移植和部署提供了極大的便利。文中實現了一種快速擴展HLA Web服務的方法，實驗結果表明其具有簡單易用、開發周期短、高度可定制化等特點。

[1] 周 彥,戴劍偉.HLA仿真程序設計[M].北京:電子工業出版社,2002.

[2] Brutzman D,Zyda M,Pullen J M,et al.Extensible Modeling and Simulation Framework (XMSF):challenges for web-based modeling and simulation[EB/OL].(2002-10-22)[2007-03-20].http://www.movesinstitute.org/xmsf/xmsf.html.

[3] 張 衛,查亞兵.一種基于Globus工具箱的HLA RTI Web服務化方法[J].系統仿真學報,2009,21(20):6492-6497.

[4] 范希輝,劉 萍,楊艾軍,等.面向廣域網的高層體系結構設計[J].兵工自動化,2012,31(8):42-45.

[5] 曹鵬飛.基于Web服務的HLA聯邦設計與實現[D].鄭州:解放軍信息工程大學,2011.

[6] 吳澤彬.基于Web服務的分布式仿真關鍵技術研究[D].南京:南京理工大學,2007.

[7] Katherine L M.Web enabling HLA compliant simulations to support network centric applications[EB/OL].(2004)[2006-07-20].http://www.dodccrp.org/events/2004/CCRTS_San_Diego/CD/papers/.

[8] Xie Y,Teo Y M,Cai W,et al.Service provisioning for HLA-based distributed simulation on the grid[C]//Workshop on principles of advanced and distributed simulation.Monterey,CA,USA:[s.n.],2005.

[9] 范希輝,劉 萍,楊艾軍,等.面向服務的高層體系結構研究[J].計算機仿真,2012,29(11):382-385.

[10] 鐘 蔚,龔建興,郝建國,等.HLA Evolved規范研究分析[J].系統仿真學報,2011,23(4):691-696.

[11] IEEE-SA Standards Board.IEEE standard for Modeling and Simulation (M&S) High Level Architecture (HLA)—Object Model Template (OMT) specification [S].New York,USA:IEEE Inc.,2000.

[12] 高武奇,康鳳舉,鐘聯炯,等.一種基于HLA Evovled的云仿真技術研究[J].系統仿真學報,2011,23(8):1643-1647.

[13] 徐麗娟,彭曉源.基于HLA的仿真服務總線研究[J].系統仿真學報,2006,18(S2):347-349.

[14] 周 寶,王曉飛,姜繼波.基于HLA的Web服務效能評估技術研究[J].系統仿真學報,2013,25(1):185-189.

A Method for Rapid Expansion of HLA/RTI Web Service

ZHANG Tao1,SHI Lu-sha2,ZHANG Bin2,YUN Yuan2,TIAN Yao2

(1.College of Electronic and Control Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100022,China;2.Technology and Engineering Center for Space Utilization,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China)

A Web services frame is proposed for fast extension of the High Level Architecture (HLA).This new frame is aimed to solve the problem of the old frame of the HLA distributed simulation that the latter can not operate smoothly on the WAN and makes the interfaces complex with other systems and the development languages single for the federal members.The new frame could make the HLA/RTI interfaces packaged by the SOA and decouple the HLA simulation system,the programming language and the platforms through the using of the HTTP protocol and the mapping of the users and the federal members with the agency of the federal members in the HLA/RTI center node.The characteristics of the fast development and the deployment and the highly customizable also could be reflected in this frame.A new idea to achieve the HLA simulation extension has been shown through this new frame for the companies and the institutions.The result of the project shows that this new frame is feasible for the extension of the HLA.It could improve the efficiency of the extension of the HLA and satisfy the needs of the high portability,the high efficiency,the decoupling of the programming language of the federal members and so on.The development and maintenance cost also could be reduced in the new frame.

HLA;RTI;Web services;distributed simulation;cross-platform

2016-02-25

2016-06-16

時間：2016-11-22

國家重大專項(Y31405210N)

張 濤(1990-)，男，碩士生，研究方向為機械臂規劃仿真。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20161122.1227.006.html

TP301

A

1673-629X(2016)12-0049-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.12.011